某建筑碳纖維加固施工方案

碳纖維加固施工及質量控制[摘要]：碳纖維具有強度高、自重輕、施工方便、快捷、應用廣泛等優良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法，在建筑業中有著廣泛的發展前景。本文以某加固工程為例介紹了碳纖維復合材料在因功能改變引起荷載變化的構件加固中施工工藝。[關鍵字]：碳纖維材料混凝土結構加固技術1．工程概況某工程地下二層，地上十六層，總建筑面積26295m2，，標準層建筑面積1580m2現澆框架剪力墻結構，建筑功能為住宅。該工程標準層3.1m，檐口高度54.05m，設3部電梯。2．需要進行加固的背景情況該工程主體結構施工時標準層設計為每層6個戶型，主體結構施工完畢后，建設單位因為市場原因，將原有的6個大戶型改為18個小戶型，每個戶型有獨立的使用功能，需要增加樓面荷載及設備、通風道等需開洞。樓面荷載的問題是將原設計采用的陶粒隔墻板改為輕質隔墻條板的方法解決。樓板開洞加固經過設計、甲方、監理及總包共同協商及比較各種加固方法的工期和造價因素，最后決定采用粘貼碳纖維布加固。3．碳纖維加固簡介碳纖維布加固修補結構技術是一種新型的結構加固技術，它是利用樹脂類粘結材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達到對結構及構件加固補強的目的。碳纖維材料(carbonfibrereinforcedpoly-mer)用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發達國家，我國起步很晚，近年來發展十分迅速，在航空、航天、汽車、環境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領域得到了廣泛的應用。3.1.碳纖維布結構加固技術簡介粘貼碳纖維結構加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面，使兩者共同工作，提高結構構件的（抗彎、抗剪）承載能力，由此而達到對建筑物進行加固、補強的目的。碳纖維增強聚合物（carbonfibrereinforcedpoly-mer簡稱cfrp，也稱為碳纖維增強塑料）是由環氧樹脂粘高抗拉強度的碳纖維束而成的。使用碳纖維布加固具有以下幾個優點：強度高（強度為普通鋼材的10倍以上），效果好；加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性；自重輕（約200g/m2），基本不增加結構自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣；施工簡便（不需大型施工機構及周轉材料），易于操作，經濟性好；施工工期短；因此，碳纖維結構加固技術在混凝土結構方面已產生較大的效應。碳纖維加固技術適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構，要求基層混凝土的強度等級不低于C15即可；另外，磚砌體的某些力學性能也可以用碳纖維進行加固。3.2碳纖維布加固的原理用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優良的力學性能，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又確保碳纖維布與結構共同工作，從而達到加固的目的。3.3碳纖維布加固在本工程中的應用數量碳纖維布的加固主要在后開洞口周邊，根據設計要求：后開洞口周邊四個方向粘貼雙層碳纖維布，并且伸至支座梁的位置。本工程中碳纖維覆蓋面積約為890m2。4．碳纖維加固的施工4.1施工工藝工藝流程為卸荷—基底處理—涂底膠—找平—粘貼—保護。考慮本工程特殊施工環境因素，加固中應進行卸荷。加固前先將板面粉刷層及板面雜物清除。本工程加固施工中，應先鑿開原有裝飾面層直至結構層基面，方可進行下一步處理。基本施工步驟：基底處理：①混凝土表面出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予以鑿除，對于較大面積的劣質層在鑿除后應用環氧砂漿進行修復。②混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm）。③風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。涂底膠①按配合比主劑∶固化劑＝3:1配置底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計量，電動攪拌器均勻攪拌。根據現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間，一般情況下20—50mim內用完。②將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時間視現場氣溫而定，以指觸干燥為準）再進行下一工序施工。一般固化時間為6—24h。找平①混凝土表面凹陷部位應用修補劑填平，模板接頭等出現高度差的部位應用修補劑填補，盡量減小高度差。②轉角處也應用修補劑修補成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。待修補劑表面指觸干燥后方可進行下一步工序。粘貼①按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。②調配、攪拌粘貼材料粘結劑（使用方法與底膠相同），然后均勻涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴禁出現漏刷現象，特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。③粘貼碳纖維布，在確定所粘貼部位無誤后，用特制工具反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使粘結膠充分浸透碳纖維布；并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結膠，使之均勻。多層粘貼應重復上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。④在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結膠。用工具反復沿纖維方向滾壓，并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結膠，使之均勻。⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200mm。保護加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進行保護。質量要求①每一道工序結束后均應按工藝要求進行檢查，并做好相關的驗收記錄，如出現質量問題，應立即返工。②施工結束后的現場驗收以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結質量為主，用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面，以回音判斷粘結效果。如出現空鼓等粘貼不密實的現象，應采用針管注粘結膠的方法進行補救。粘結面積若少于90%則判定粘結無效，需重新施工。③嚴格控制施工現場的溫度和濕度。施工溫度在5－35℃范圍內，相對濕度不大于70%。4.2.施工方案4.2.1膠粘劑的配置：①將原材料按不同配合比稱量準確，分別配置底涂膠料、整平膠料及粘結膠料。先將稀釋劑加入聚合物主料內攪拌均勻，再將填料加入繼續攪拌至均勻，最后加入固化劑，充分攪拌后即可使用。②配置膠料時應注意以下事項：底涂膠料每次配置量以1－2公斤為宜；整平膠料每次配置量以0.5－1公斤為宜；粘結膠料每次配置量以1－2公斤為宜。③所有膠料要求于1小時內施工完畢。4.2.2基底處理①混凝土表面如出現剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予剔除，對于較大面積的劣質層，在剔除后應用聚合物水泥砂漿進行修復。②裂縫部位，如有必要應先進行封閉處理。③用混凝土角磨機、砂輪（砂紙）等工具，去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸出部位要磨平，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R310mm）。④用吹風機將混凝土表面清理干凈并保持干燥。使用中國建科院研制生產EC高強度聚合物砂漿修補表面凹陷底部分。4.2.3涂底膠①按一定比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用攪拌器攪拌均勻，根據現場實際氣溫決定用量，并嚴格控制使用時間。②用滾桶刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構件表面，厚度不超過0.4mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，等膠固化后（固化時間視現場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時），再進行下一道工序。4.2.4用整平膠料找平①混凝土表面凹陷部位應用刮刀嵌刮整平膠料修補填平，模板接頭等出現高度差的部位應用整平膠料填補，盡量減少高差。②轉角的處理，應用整平膠料將其修補為光滑的圓弧，半徑不小于10mm。③整平膠料須固化后（固化時間視現場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時），方可再進行下一道工序。4.2.5粘貼碳纖維布①按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長度應在3m以內。②配置、攪拌粘貼膠料，然后用滾筒刷均勻涂抹于所粘貼部位，在搭接、拐角部位適當多涂抹一些。③用特制光滑滾子在碳纖維布表面沿同一方向反復滾壓至膠料滲出碳纖維布外表面，以去除氣泡，使碳纖維布充分浸潤膠料。多層粘貼應重復以上步驟，待纖維表面指觸感干燥為宜，方可進行下一層碳纖維布的粘貼。④在最外一層碳纖維布的外表面均勻涂抹一層粘貼膠料。5．碳纖維加固施工的量控制5.1質量保證措施：對于砼工程，應振搗密實，面層平整，砂漿拌制嚴格按照設計配比，杜絕偷工減料現象發生。碳纖維粘貼工程：碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100mm。粘貼碳纖維布應盡量避開障礙物，如遇無法清除的障礙物而需截斷時，在截斷部位要予以適當處理，具體措施應視不同情況而定。碳纖維材料方面的可靠保證碳纖維片具有極佳的力學性能，是與它自身的材質屬性、成片加工工藝密不可分的。目前，國產碳纖維布與進口碳纖維布之間從質量、性能及生產工藝上，都存在著較大的差異，具體表現為：①材料的勻質性：碳纖維束只有分布排列均勻，加工成片后才能起到整體均勻受力的作用；若才只得勻質性不好，則構件受力后導致纖維片局部受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發揮出來。因此，材料的勻質性問題，是目前國產碳纖維片提高質量所待解決的關鍵性問題。②碳纖維片中預浸樹脂的含量：我們用于結構補強的碳纖維片是含有預浸樹脂的。其作用是使纖維之間相互約束、相互粘結成為共同受力的整體，但其含量過多、浸漬過厚，卻無益于修復、補強。因為碳纖維補強混凝土結構是靠上涂及下涂環氧樹脂對碳纖維片的反復滲透來完成的。如果纖維片中預浸樹脂的含量過多，則粘貼碳纖維片時樹脂的滲透效果就比較差，直接影響施工質量。目前國產材料在控制低預浸樹脂含量方面與國外產品相比仍有較大差距。③碳纖維的段絲率：由于纖維絲很細，只有7μm，極易出現段絲。因此，盡可能地減少纖維絲的斷裂，確保纖維片的連續性與整體性，是確保最終補強效果的一個重要參數。這也是國產材料需要解決的一個大問題。國產原絲的雜質多，是導致碳纖維強度不高的主要原因之一（見下表）。國內外碳纖維中金屬雜質含量比較（引自[高科技纖維與應用]雜志2005年第3期）（單位：10－6）生產廠家NaKCaMgFe小計日本T30010-151-151021-524-27日本T80010.13.518.53.4/35.5國內甲廠1426241153128國內乙廠952210517101340（注：T300為文獻值，其它為實測值）為確保碳纖維片修復補強混凝土結構的質量，本公司使用的碳纖維片是性能質量優異的產品。5.2安全施工及場容：裁剪及使用碳纖維布時應盡量遠離電源，尤其是高壓電線及輸電線路。碳纖維布的配套用膠要遠離火源，避免陽光直接照射。現場施工人員應穿工作服，同時還須佩戴口罩和手套，施工人員嚴禁在現場吸煙。配置及使用膠的場所必須保持良好的通風。施工所用砂、石子、水泥等材料堆碼整齊，施工完畢后，將施工所產生的垃圾及時清運出現場，作到工完場清。6．碳纖維加固的驗收6.1工程驗收時必須有碳纖維及其配套膠料廠家所提供的材料檢驗證明。目前，國內外碳纖維材料及配套結構膠的生產廠家有多家，選購前應認真了解材料的相關技術指標及操作說明，本工程所用的各材料指標如表1～表3。抗拉強度（mpaa）彈性模量（mpaa）延伸率（%）密度（g/cm3）耐腐蝕性浸透性均勻度50002.35×10552.11.8優良好良好表1結構加固修補用碳纖維材料（cfrp-t700s）主要性能指標表2碳纖維織物數據單位面積重量(gg/m2)徑向纖維緯向纖維徑向密度根/cm緯向密度根/cm220碳纖維尼龍線2.651.6徑向重量比例%緯向重量比例%碳布寬度(mm)積層厚度(mm)積層厚度為加入樹樹脂后其纖維維體積含量為為50%時的厚度9916100.2表3建筑結構膠主要技術性能指標結構膠名稱jgn-cjgn-p作用粘貼碳纖維專用膠膠與jgn-c配套使使用的底膠外觀甲組分白色蠟狀膏體無色透明液體乙組分棕色液體棕紅色液體粘接拉伸強度（mmpa）＞30.0粘接強度(混凝土土-混凝土)混凝土破壞拉伸剪切強度（mmpa）＞20.0/壓縮強度（mpaa）＞50.0/彎曲強度（mpaa）＞30.0/混合黏度（20℃℃時）＜5000cp(不不流掛)/涂布量0.6～1.0kkg/m20.25～0.33kg/m2適用期（20℃時時）＞90min可使用時間20～40min硬化時間（20℃℃時）＜3.0h指干時間（20℃℃時）2h甲:乙=3:1甲:乙=3:1使用溫度10～35℃/6.2每一道工序結束后均應按工藝要求進行檢驗，作好相關的驗收記、施工結束后的現場驗收以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結質量為主，用小錘等工